Каждую неделю в научно-исследовательскую лабораторию NOAA в Боулдере, штат Колорадо, прибывают десятки металлических колб, каждая из которых загружена воздухом из отдаленного уголка мира. Химик - исследователь Эд Длугокенски и его коллеги из отдела глобального мониторинга каталогизируют канистры, а затем используют ряд высокоточных инструментов-газовый хроматограф, пламенно—ионизационный детектор, сложное программное обеспечение—для измерения содержания углекислого газа, закиси азота и метана в каждой колбе.
Эти образцы воздуха-собранные в обсерваториях на Гавайях, Аляске, Американском Самоа и Антарктиде, а также с высоких башен, небольших самолетов и добровольцев на всех континентах—прибывали в Боулдер более четырех десятилетий в рамках одной из самых продолжительных в мире программ мониторинга парниковых газов. Воздух в колбах показывает, что концентрация метана в атмосфере неуклонно повышалась с 1983 года, до выравнивания около 2000 года. - А потом, бум, посмотри, как здесь все меняется” - говорит Длугокенски, указывая на график на экране компьютера. "Это действительно резкое изменение глобального бюджета на метан, начиная примерно с 2007 года.”
С тех пор количество метана в атмосфере увеличивается. И никто не знает почему. Более того, никто этого не видел. Уровни метана поднимались более круто, чем предполагали эксперты по климату, до степени “настолько неожиданной, что она не рассматривалась в моделях путей подготовки к Парижскому соглашению”, как отмечали Длугокенски и несколько соавторов в недавно опубликованной статье.
По мере того как тащатся годы и накапливается метан, решение этой загадки приобретает все большую актуальность . За 20 лет метан поглощает в атмосфере в 86 раз больше тепла, чем углекислый газ. На его долю приходится около четверти общего потепления атмосферы на сегодняшний день. И хотя постоянное увеличение содержания в атмосфере углекислого газа и закиси азота вызывает глубокую тревогу, они, по крайней мере, соответствуют ожиданиям ученых. Метана нет. Метан-возможно, самая ранняя подпись человечества в климате-это дикая карта.
УЧИТЬ БОЛЬШЕ
ПРОВОДНОЕ РУКОВОДСТВО ПО ИЗМЕНЕНИЮ КЛИМАТА
Люди производили метан на протяжении тысяч лет, расчищая землю от пожаров, разводя скот и выращивая рис. Благодаря пузырькам воздуха, застрявшим в ледяных ядрах, взятых из Антарктиды, мы знаем, что глобальная средняя концентрация метана в атмосфере почти утроилась в ответ. Поскольку в атмосфере метан сохраняется лишь около десяти лет, он является относительно быстродействующим рычагом для замедления изменения климата . Но не ясно, как мы должны тянуть за этот рычаг.
Ученые продолжают предлагать конкурирующие гипотезы для объяснения глобального подъема, и нет недостатка в потенциальных подозреваемых. "Самое удивительное в метане, - говорит Лори Брювилер, ученый-исследователь NOAA, - заключается в том, что почти все, что мы, люди, делаем, влияет на бюджет метана, от производства пищи до производства топлива и утилизации отходов.”
Люди несут прямую ответственность за около 60 процентовглобальных выбросов метана. Она просачивается из гниющих пищевых отходов на свалках, из анаэробных лагун навоза свиней, с рисовых полей и открытых угольных пластов. Скот отрыгивает его как побочный продукт своего пищеварения. Она вытекает из огромного металлического экзоскелета нефтяных и газовых скважин, насосных станций, трубопроводов и нефтеперерабатывающих заводов, которые оплетают земной шар.
Баланс происходит из природных источников-водно-болотных угодий, рек и озер, лесных пожаров, термитов, геологических просачиваний, таяния вечной мерзлоты. Водно-болотные угодья являются крупнейшим единым источником, на долю которых приходится около 30% всех выбросов метана в мире. По словам Бенджамина Поултера, исследователя НАСА и участника глобального углеродного проекта, международного консорциума ученых, который публикует одну из наиболее часто цитируемых оценок глобального метанового бюджета. Эта неопределенность может сделать дебаты о том, что движет увеличением, похожими на высокообразованную игру в угадывание.
” Есть так много гипотез и высокоэффективных документов только за последние два года, которые охватывают весь спектр объяснений, почему этот возобновленный рост",-говорит Поултер.
Благодаря тщательным измерениям ученых NOAA и других, мы знаем, что в атмосфере на каждый миллиард молекул воздуха приходится около 1850 молекул метана—как правило, не хватает частей на миллиард, или ppb—в сегодняшней атмосфере. Это по сравнению с примерно 700 частями на миллиард в доиндустриальную эпоху. Но процессы, стоящие за сегодняшним числом, гораздо менее заметны. Это как знать окончательный счет игры, но не кто забил, что и как.
Получение ответов-это не просто академическое упражнение; важно знать, с чем может столкнуться человечество, когда планета продолжает нагреваться. “Нам нужно представление процессов, чтобы понять эти механизмы, - говорит Эрик корт, ученый-атмосферник из Университета Мичигана, - поэтому мы можем сказать, например, что при определенных изменениях температуры и гидрологического цикла мы ожидаем, что выбросы метана увеличатся на X."Без этого понимания, - говорит корт, - мы не сможем ответить на некоторые важные вопросы о том, что ждет нас впереди. "Увеличивается ли атмосферный метан в результате изменения климата, а не наших прямых выбросов? Проходят ли какие-то пороги?”
"Это плохая проблема, - добавляет корт, - но она не неразрешима.”
ЛЮБОЕ УБЕДИТЕЛЬНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ должно отвечать на три вопроса. Чем объясняется долгосрочный рост уровня метана за последние 40 лет? Почему возникла пауза? И почему после 2006 года произошел такой резкий скачок? Только три элемента глобального бюджета на метан достаточно велики, чтобы быть вероятными виновниками: микробные выбросы (от животноводства, сельского хозяйства и водно-болотных угодий); выбросы ископаемого топлива; и химический процесс, с помощью которого метан очищается от атмосферы.
Первая теория, которая получила поддержку, возлагала вину на ископаемое топливо, основанное на некоторых подозрительных сроках: использование горизонтального бурения и гидроразрыва пласта—метод добычи закопанных углеводородов, который включает взрыв глубоких слоев горных пород с коктейлем воды, песка и химических веществ—вспыхнул в нефтяной и газовой промышленности США примерно в то время, когда уровень метана в атмосфере взлетел. Другие ученые, однако, убеждены, что виноваты растущие стада скота, которые производят богатые метаном отрыжки и навоз. Некоторые исследователи изучают спутниковые данные в поисках свидетельств того, что производство метана из природных источников, таких как водно-болотные угодья и лесные пожары, меняется.
И еще другие утверждают, что виновником является вовсе не бурлящий источник, а устойчивое, или, возможно, очень внезапное, исчезновение традиционного метанового “стока"."После среднего времени пребывания около десяти лет метан окисляется в углекислый газ и водяной пар посредством химических реакций с гидроксильными радикалами (OH). Однако этот процесс атмосферного удаления может ослабляться, возможно, из-за снижения уровней ох в результате реакций с другими антропогенными загрязнителями.
Конечно, это может быть сложное сочетание всех этих факторов. Далее, затуманивая картину, некоторые исследователи утверждают, что всплеск концентрации на самом деле не является Спайком вообще. Скорее, говорят они, пауза в росте с 2000 по 2006 год является настоящей аномалией. По этим расчетам, то, что произошло в 2007 году, было возвращением к “нормальной” тенденции антропогенного роста, возможно, усугубленной замедлением темпов химического удаления метана. Если это так, то метан будет продолжать накапливаться, как вода в ванне с открытым краном и заткнутым сливом.
Эти непрекращающиеся научные споры раскрывают проблему, лежащую в основе тайны метана: множество историй могут быть сделаны, чтобы аккуратно соответствовать имеющимся доказательствам. "Действительно хорошие наблюдения могут быть интерпретированы таким образом, что кажутся противоречивыми”, - говорит корт. Чтобы отсортировать все это, ученые должны сбалансировать информацию, предоставляемую различными категориями подсказок.
Нисходящие оценки основаны на наблюдениях с использованием датчиков на башнях, самолетах или спутниках, а также на моделях, учитывающих подветренный перенос выбросов из источников и химические реакции с другими компонентами атмосферы. Восходящие методы включают измерение выбросов вблизи источника (газовая скважина, свалка, даже коровьи кишки ) и экстраполяцию из них для оценки выбросов в более широких масштабах.
Трейсеры также предлагают важные подсказки. Окись углерода СО-испущена с метаном от лесных пожаров и горения биомассы, и этан углерод который часто со-испущен с метаном от добычи нефти и газ. Метилхлороформ является промышленным растворителем, который, как и метан, может быть удален из атмосферы только путем реакции с OH; его выбросы гораздо лучше известны, поэтому он используется для вывода, сколько OH находится в атмосфере. Исследователи полагаются на более простые в измерении прокси, чтобы сделать выводы об изменениях в источниках или поглотителях метана. Например, некоторые указывали на наблюдения увеличения концентраций этана, чтобы утверждать, что добыча ископаемого топлива является доминирующим фактором всплеска метана.
Тогда есть изотопы. После анализа в лаборатории Длугокенски эти образцы воздуха отправляются в институт арктических и альпийских исследований в Университете Колорадо Боулдер, где измеряются их изотопы углерода. "Изотопы говорят вам, сколько идет от микробов по сравнению со старыми, термогенными источниками углерода, который был приготовлен землей”, - говорит Брювилер. Метан, испускаемый микробными источниками (также известными как биогенные), как правило, легче, с меньшим количеством изотопа углерода С13 по сравнению с С12, в то время как метан из ископаемых видов топлива (термогенный) и из горящей биомассы, как правило, изотопно тяжелее. Измерения, проведенные INSTAAR и другими научно-исследовательскими учреждениями, ясно показывают, что метан в атмосфере становится более истощенным в изотопе С13. Это может потенциально отсеять список подозреваемых.
Тем не менее, каждый тип ключа имеет свои пределы. Недавняя работа корта и других поставила под сомнение надежность этана как полезного, последовательного трассировщика метана. Соотношение этана и метана в различных геологических бассейнах широко варьируется, а количество этана, извлекаемого из природного газа, изменяется в зависимости от его рыночной стоимости как нефтехимического сырья. Данные об изотопах убеждают не всех.
” Многие в сообществе настроены крайне скептически, потому что подписи источников охватывают довольно высокий диапазон", - говорит Даниэль Джейкоб, химик-атмосферист из Гарварда. Некоторые источники имеют одинаковый набор изотопных отпечатков, что затрудняет различие между некоторыми ископаемыми и микробными источниками. "Изотопы-полезная информация, но я бы не стал спорить, что дом просто смотрит на данные об изотопах.”
Брюхвилер признает, что существует неопределенность в изотопной записи, и очень немногие исследования измерили изотопы метана от крупного рогатого скота и других жвачных или пузырящихся из водно-болотных угодий. Но она утверждает, что изотопы метана ископаемого топлива занимают очень узкий диапазон сигнатур, ограниченный в своем перекрытии с микробными источниками.
“В крупных глобальных масштабах изотопное ограничение должно быть чертовски полезно для того, чтобы рассказать нам, что является биогенным и что термогенным”, - говорит она.
НЕСМОТРЯ НА ВСЮ ЭТУ неопределенность, есть одна часть глобального бюджета на метан, которая более четко определена количественно: выбросы от добычи нефти и газа США. Это во многом благодаря работе Стивена Гамбурга и Фонда защиты окружающей среды.
В начале 2000-х Гамбург был профессором экологии в Университете Брауна. Для курса экологии леса, который он преподавал, он каждую неделю возил студентов на поле в фургоне, работающем на природном газе. Позже, у него было прозрение: хотя это казалось более чистым, более эффективным вариантом, чем бензиновый автомобиль, он понятия не имел, сколько газа может протекать. Но он знал, что скорость утечки имеет значение для климата. Гамбург понимал, что метан является мощным двигателем краткосрочного потепления, и как эколог он также знал, что скорость изменений в системе может быть столь же важна, как и ее величина.
Несмотря на свою мощь в качестве ускорителя потепления, борьба с утечкой метана еще не была главным приоритетом в кругах климатической политики. "Была возможность, - говорит он, - большой рычаг, который люди еще не могли видеть и использовать. Мы признали, что рычаг существует.”
Когда он стал главным ученым EDF в 2008 году, он начал запрашивать данные об утечках в цепочке поставок нефти и газа. "Я получил стандартный ответ от компаний:" у нас все схвачено, мы знаем, что происходит, все в порядке."Когда я копался, не было хороших данных, которые кто-то мог бы показать мне, чтобы подтвердить это.”
В 2012 году EDF запустила программу поддержки углубленного изучения утечек метана по всей цепочке поставок нефти и газа в США. Эта работа объединила более 140 ученых из более чем 40 различных академических и научно-исследовательских учреждений, предоставив более 30 рецензируемых публикаций и гораздо более точное понимание того, сколько и где утекает метан в результате добычи ископаемого топлива по всей стране.
Кульминационный материал исследования, опубликованногов журнале Science в июле прошлого года, основан на наземных измерениях и наблюдениях с самолетов, чтобы оценить, что выбросы метана в секторе на 60 процентов выше, чем оценки из кадастров, проводимых федеральным Агентством по охране окружающей среды. Этот показатель составляет 2,3 процента от общего объема добычи природного газа в США. Утечка всего 4% сведет на нет климатические преимущества сжигания газа вместо угля для выработки электроэнергии.
В глобальном масштабе, однако, данные о беглых выбросах нефти и газа остаются редкими. Например, в России и Иране мало измерений газовых месторождений и очень мало доступа к исследованиям. Несколько лет назад Гамбург обсуждал эту проблему с ученым-атмосферником из Гарварда Стивеном Вофси. Какой уровень пространственной детализации, размышляли они, потребуется, чтобы увидеть и точно определить утечки из нефтяных и газовых месторождений и крупных объектов из космоса?
Так родился Метанезат. В прошлом году EDF объявила, что построит и запустит свой собственный спутник для поиска метана. "Метафора, которую я часто использую,-говорит Гамбург, - это то, что мы пытаемся уйти от модели ручной работы, и нам нужно перейти к массовому производству. Это слишком дорого и трудоемко для развертывания научных групп [в глобальном масштабе].”
Сегодня Wofsy является научным руководителем проекта. Усмехнувшись, он признает, что это чрезвычайно амбициозное “безумное” предприятие—экологическая некоммерческая организация, пытающаяся осуществить проект НАСА. "EDF очень стратегична", - говорит он с восхищением. "Их цель-трансформация нефтегазовой отрасли во всем мире к 2025 году.”
Недавние работы стэнфордских исследователей показывают, что более половины объема всех выбросов метана из природного газа происходит только из самых больших 5 процентов утечек. Даже если фактическая численность несколько ниже, среди исследователей существует широкое согласие в том, что борьба с этими “суперэмиттерами” может быть наиболее экономически эффективной стратегией сокращения выбросов метана. Но сначала вы должны найти эти перья. MethaneSAT будет охотиться за утечками над нефтяными и газовыми месторождениями, которые могут составлять всего 10 частей на миллиард, на фоне 1850. "Итак, вы ищете около 0,5 процента. Если вы собираетесь измерить 0,5 процента, вы должны иметь точность около 0,1 процента”, - говорит Вофси. - И некоторые люди думают, что ты не можешь этого сделать. Мы думаем, что мы можем—не в каждой точке поля, а в региональном масштабе.”
Еще одной беспрецедентной особенностью MethaneSAT является то, что данные, которые он захватывает, будут общедоступными. "Наш продукт-это изменения в нефтяной и газовой промышленности, и то, что мотивирует эти изменения, - это прозрачная информация о том, что они излучают”, - говорит Wofsy.
Конечно, спутник все еще на чертежной доске, и многие технические препятствия маячат. Даже если все пойдет по плану, MethaneSAT не начнет производить действенные данные до конца 2022 года.
Тем не менее, есть некоторые доказательства того, что он уже может иметь фокусирующий эффект в некоторых уголках отрасли. Фиджи Джордж, глава отдела климата и устойчивого развития Cheniere Energy, крупнейшего экспортера сжиженного природного газа в США, сделал длинную карьеру в этом секторе, в том числе работал в Shell Oil и Southwestern Energy. ” Как только у вас появится эта спутниковая технология, - говорит Джордж, - в 2022 году Стив Гамбург может прийти и сказать: “Эй, этот объект, мы нанесли его на карту каждые 14 минут и обнаружили множество выбросов."Не зная, допустимы ли выбросы, техническое обслуживание или стохастическое событие-это создает больше неопределенности и беспокойства и давления на промышленность.”
Если технические проблемы могут быть преодолены, Джордж рассматривает новые технологии обнаружения метана как то, что промышленность должна принять, если она хочет, чтобы природный газ занял место в энергетическом балансе через десятилетия и в мире, который серьезно относится к климатическим целям Парижа.
” Если это будет успешным, через пять лет у нас будет совсем другая перспектива с точки зрения возможности понять, что движет этими изменениями " в global methane, говорит Wofsy. - Тогда кто-то может построить еще один за половину стоимости и использовать его для другой миссии. Вы могли бы начать идти за сельскохозяйственными источниками, свалками, заболоченными землями. Вы можете посмотреть на любой из них.”
Пока нет окончательного обвинительного заключения, сообщество детективов метана, похоже, приближается к исключению одного ключевого подозреваемого. "Приписывание, которое было довольно популярным несколько лет назад, увеличивало природный газ”, - говорит Даниэль Джейкоб, ссылаясь на сочетание изотопных доказательств и моделей атмосферной инверсии своей группой и другими. - Это немного выбило ветер из парусов. Мы действительно не видим доказательств этого.”
"Мое личное чувство состоит в том, что доказательства сильно указывают на естественный биогенный источник за увеличением.”
Некоторые исследователи, такие как Роберт Ховарт из Корнельского университета, по—прежнему убеждены в том, что неорганизованные выбросы в результате добычи нефти и газа—особенно фракционирования-систематически недооцениваются и, вероятно, стоят за глобальным всплеском. ” Это убедительный рассказ, - говорит Пеп Канадель, исполнительный директор глобального углеродного проекта, - но более широкое сообщество не поддерживает эту точку зрения.”
В влиятельной статье 2016 года в Nature большая группа ученых во главе со Стефаном Швецке, бывшим ученым NOAA, который теперь работает в EDF, собрала самый большой набор долгосрочных данных об изотопах из всех источников метана-микробиологических, ископаемых видов топлива, сжигания биомассы. Они обнаружили, что выбросы метана на ископаемом топливе были по крайней мере на 60% больше, чем предыдущие лучшие оценки, но не увеличивались с течением времени.
Это противоречивая точка прибытия. Утечка нефти и газа не является причиной глобального подъема, однако это гораздо большая проблема, чем считалось ранее. И их закупорка остается одним из наиболее осуществимых способов сокращения метана. По оценкам Международного энергетического агентства, до 50% всех утечек метана из нефти и газа могут быть зафиксированы при нулевой чистой стоимости.
ДАЖЕ КОГДА ПОДОЗРЕНИЯ отходят от ископаемого топлива, они объединяются вокруг тропических водно-болотных угодий, крупнейшего глобального источника метана. "Когда метан начал подниматься, вскоре после этого C13 начал опускаться”, - говорит Длугокенски. Что бы ни приводило к увеличению концентрации", это должен быть источник метана, который легче, чем средняя смесь выбросов в атмосферу. Что может это сделать? Микробные источники как заболоченные земли или жвачные животные.”
Тропические болота могут быть единственным источником, достаточно большим и динамичным, чтобы объяснить как величину, так и внезапность всплеска. Маловероятно, что численность скота, другого крупного биогенного источника, увеличилась достаточно быстро, чтобы объяснить это.
Однако производство метана из водно-болотных угодий может быстро изменяться из года в год в ответ на метеорологические изменения. Микробы в водно-болотных угодьях могут производить больше метана в ответ на увеличение осадков, или более теплые температуры, или и то и другое. Или водно-болотные угодья могут расти в районе, затопляя все больше и больше поверхности земли, будь то из-за событий Эль-Ниньо или других климатических переменных.
"Водно-болотные угодья-это потенциальная обратная связь между углеродом и климатом, которую мы не полностью понимаем”,-говорит Канадель. Ученые сходятся во мнении, что модели этих процессов улучшаются, но все равно требуют гораздо больше работы.
Чтобы составить карту распределения водно-болотных угодий, исследователи полагались на старые аэронавигационные карты сомнительной точности, говорит Брювилер. Они также используют спутниковые снимки для идентификации районов, которые затоплены на суше, но те из них имеют ограниченное использование в тропиках, где вышележащая растительность и тяжелый облачный покров могут маскировать стоячую воду. И ученые до сих пор очень мало знают о различных изотопных сигнатурах микробного метана из водно-болотных угодий.
В долгосрочной перспективе под руководством EDF в рамках совместных усилий по изучению утечек нефти и газа Эрик корт видит потенциальную исследовательскую дорожную карту для устранения этих источников неопределенности. "Эта серия целевых исследований, рассматривающих нефтегазовые бассейны в ряде масштабов, улучшила наше понимание выбросов и процессов, которые контролируют это", - говорит он. "Те же подходы к измерению могут быть использованы для улучшения нашего понимания водно-болотных угодий.”
” Мое личное чувство заключается в том, что доказательства сильно указывают на естественный биогенный источник за увеличением", - говорит Брювилер. “И если это так, это важно, потому что это может быть признаком того, что существует обратная связь между естественной земной биосферой и потеплением.”
По мере того как мир нагревается, а его части становятся влажнее, будут ли микробы в тропических водно-болотных угодьях выкашливать еще больше метана? Будут ли те, кто зимует в арктической вечной мерзлоте, выделять больше этого огромного запаса замороженного углерода в виде метана, чем углекислого газа, стимулируя дальнейшее потепление? Такие механизмы обратной связи-это элементы глобальной климатической системы, которые не дают ученым спать по ночам. ” Самый важный научный вопрос, с которым мы сейчас сталкиваемся,-это вопрос обратных связей между углеродом и климатом", - говорит Брювилер. "Вопрос, который действительно важен, заключается в том, что происходит на дороге?”
Вот почему решение загадки метана имеет значение. Поиск отпечатков пальцев человека на этих” природных " источниках метана поможет нам понять, что может быть в будущем. Но даже если новые средства обнаружения окончательно определят водно-болотные угодья в качестве основного движущего фактора, наша задача останется прежней: помимо быстрого сокращения выбросов углекислого газа и других парниковых газов, сократить выбросы метана как можно дальше и быстрее из тех источников, которые мы можем контролировать.
Несмотря на все споры о том, что движет увеличением с 2007 года, говорит корт, “в течение более длительных периодов времени нет никаких споров. Она управляется человеческой деятельностью. В последние 40 лет рост за этот период лучше всего описывается антропогенными выбросами. Эти утверждения на самом деле не являются спорными.”
” Главное, что мы подчеркиваем, когда мы разбираем эти научные дебаты, - говорит Гамбург, - это то, что это никоим образом не уменьшает способность смягчать метан из конкретных источников и понимать их влияние на климат."Это означает агрессивное обнаружение и устранение утечек из нефтегазовой инфраструктуры, - говорит он. Это также означает трансформацию того, как мы растем, потребляем и распоряжаемся пищей, подчеркивает Пеп Канадель.
Два новых исследования, опубликованных в феврале, как представляется, усиливают актуальность затыкания утечек. В своем недавнем докладе Длугокенски и коллеги пришли к выводу, что, независимо от того, связано ли это с изменением стока или изменением тропических водно—болотных угодий, возобновившийся рост метановых скремблирований планирует достичь цели оставаться ниже двух градусов потепления над доиндустриальным уровнем-цели, согласованной странами, собравшимися в Париже в 2015 году. Дикий подъем метана оставляет гораздо меньше места—и меньше времени-в нашем глобальном бюджете выбросов, чем мы ожидали.
Другое новое исследование, однако, дает некоторую надежду, ссылаясь на моделирование, которое показывает, что сокращение антропогенных выбросов метана все еще может компенсировать “естественную” утечку, которую Арктика будет производить при более теплых температурах. Если это правда, то можно предположить, что катастрофическая петля обратной связи—в которой антропогенные выбросы парниковых газов плавят вечную мерзлоту планеты, превращая ее из огромного хранилища углерода в огромный новый источник планеты-нагревающий метан, приводящий к дальнейшему нагреванию-все еще может быть предотвращена. Но ученые также говорят, что время, доступное для того, чтобы избежать этого сценария с поездом-беглецом, быстро исчезает.
"Суть в том, - говорит Канадель, - что метан растет, и не похоже, что это прекратится в ближайшее время.”